鋼橋の疲労対策技術の現状と展望

平成23年度
橋梁技術発表会及び講演会(中部地区)
疲労破壊
(a) 初期状態
応
力
鋼橋の疲労対策技術の現状と展望
(b) 疲労き裂発生
時間
平成23.11.15
き裂
・降伏強度以下の応力の繰返し.変形を伴わない.
・応力繰返しによりき裂発生,徐々に進展.
(c) 疲労き裂進展
き裂
名古屋大学大学院工学研究科
舘石和雄
(d) 破断
1
疲労(破壊力学含む)研究の歴史
2
日本では・・・
¾ 1779年 アイアンブリッジ竣工
¾ 1886年 ニューヨーク給水塔(リベット構造)でぜ
い性破壊(記録に残る最初のぜい性破壊)
¾ 1920年 A.A.Griffith(英)によるぜい性材料の破
壊理論.
¾ 1940年頃 米国戦時標準船T-2タンカー,リバ
ティ船(溶接船)のぜい性破壊
¾ 1950年頃 G.R.Irwin(米)による破壊力学の提
案,延性材料へ拡大.応力拡大係数の定義
土木学会年次大会概要で,“疲労”および“疲れ”を
キーワードにして検索してみた.
コンクリート,鉄筋などの文献は除外.
3
~1965
1957年
1957年
1958年
1959年
1959年
1960年
1962年
1963年
1965年
1965年
1965年
1965年
1966~
1966~1970
橋梁用鋼材の腐蝕疲労実験について
岡本舜三 北川英夫
高張力ボルトを使用した継手の疲労強度
大宮克巳 田島二郎
橋梁用鋼材の腐蝕疲労について(第2報)
岡本舜三 北川英夫
橋桁に使用する2,3の溶接継手の疲労強度 友永和夫 多田美朝 田島二郎
疲労破壊の確率について
小西一郎 西村昭 南武雄
材料疲労を考慮した橋の設計方式について
西村昭
継手疲労試験結果のばらつきについて
西村昭
摩擦接合型継手の疲労強度
小西一郎 西村昭 山崎鷹生
スタッド合成桁の疲労試験について
赤尾親助 三宮和彦
高張力鋼の高応力低繰返し疲労 奥村敏恵 齋藤達郎 堀川浩甫 安中徳二
合成桁の疲労実験
阿部英彦 中野昭郎
疲労亀裂の発生の機構について
奥村敏恵 堀川浩甫
最初にヒットしたのは1957年
4
1961年:Paris則
1967年
1967年
1968年
1968年
1968年
1968年
1968年
1969年
1969年
1969年
1969年
1969年
1970年
1970年
1970年
1970年
1970年
1970年
高張力鋼の疲労強度に関する実験的研究(第1報)
安宅勝 波田凱夫 前田幸雄
鉄道橋の疲労寿命と支間の関係について
伊藤文人
80キロ鋼プレートガーダーの疲労実験について
菊池洋一 鈴木悦男 桜井孝
スタッドジベルの押し抜き疲労強度に関する研究 沢野邦彦 若林武忠 成岡昌夫
高張力鋼の疲労強度に関する実験的研究(第2報)
安宅勝 波田凱夫
鉄道橋の実仂電車荷重による等価疲労被害
伊藤文人
構造用軟鋼切欠材の重複荷重による疲れ強さについて
西村俊夫 丸山嘉高
80キロ鋼プレートガーダーの疲労と残留応力について
菊池洋一 桜井孝 山田健太郎
プレートガーダーの疲労強度に関する研究
波田凱夫 小林健三
高張力鋼の疲労強度に関する実験的研究(第3報)
安宅勝 波田凱夫
重複荷重による軟鋼材の疲れ強さに及ぼす切欠きの影響
西村俊夫 丸山嘉高
長大橋ケーブル用鋼線の疲労およびクリープ性状
高橋賢司 高島弘教 他
スタッドジベルの押し抜き疲労強度について
伊藤隆夫 成岡昌夫
プレートガーダーの疲労に関する実験的研究
前田幸雄 村田勝弘 宮村隆夫
隅肉溶接継手の疲労特性に関する研究
奥村敏恵 堀川浩甫 奥川淳志
高張力鋼溶接H形桁の疲労挙動
菊池洋一 山田健太郎 安田敏雄
道路橋の疲労寿命の一推定法
小堀為雄 ShinozukaM.
軟鋼材の疲れ強さに及ぼす応力波形の影響について 西村俊夫 丸山嘉高 荒井国太
疲労の基礎的な研究.
高張力鋼の疲労.
5
1968年:「疲労」セッション新設
6
1
1971~
1)
1971~1975(その
1975(その1)
1971年
1971年
1971年
1971年
1971年
1972年
1972年
1972年
1972年
1972年
1972年
1972年
1972年
1973年
1973年
1973年
1973年
1973年
1973年
1971~
2)
1971~1975(その
1975(その2)
80kg/mm2高張力鋼梁の曲げ疲労試験
伊藤文人 田島二郎 西郷勘次郎
スタッド付鋼板の疲労強度に関する実験的研究
前田幸雄 梶川靖治 鈴木吉彦
圧延H形鋼の曲げ疲労強度について
菊池洋一 山田健太郎 神谷周浩
調質高張力鋼(80キロ鋼)溶接部の疲労に関する研究
田中康浩 石渡正夫 他
道路橋の疲労寿命の一推定法(その2)
小堀為雄 篠塚正宣 奥哲夫
スタッドジベルを溶植したSMA58鋼板の曲げ引張り疲労強度について
大島久 他
高力ボルト継手の疲労強度におよぼす諸要因の影響
西村昭 島田喜十郎 他
高力ボルト摩擦接合のボルト軸力が疲労強度に及ぼす影響
西村俊夫 三木千壽
高力ボルト摩擦接合の疲労強度について
西村昭 田井戸米好 穂積重臣
実働荷重による橋梁の疲労寿命について
小堀為雄 奥哲夫
疲労試験データの電算ファイルと自動図化
菊池洋一 山田健太郎 神谷周浩
PWS定着部の疲れ挙動に関する研究
相良正次 森脇良一 湊理宙 他
ハイブリッドガーダーの疲れ挙動に関する研究
森脇良一 藤野眞之 添田弘基
ずれ止めとして異形スタッドを用いた合成げたの疲労試験
前田幸雄 梶川靖治
繰り返し荷重を受けるI断面鋼桁の曲げ疲労破壊に関する基礎的研究 中村作太郎 他
鋼材の疲労破壊確率に関する基礎的研究
小松定夫 中山隆弘
切欠を有する板の疲労性状について
西村俊夫 三木千寿 福沢小太郎
薄肉ハイブリッド・ガーダーの曲げ疲労試験(第2報)
前田幸雄 川井豊 中西延仁
腐食鋼材の疲労強度
阿部英彦 稲葉紀昭 江口保平
1973年
1973年
1974年
1974年
1974年
1974年
1974年
1975年
1975年
1975年
1975年
1975年
1975年
1975年
1975年
1975年
疲れ強さからみた有孔板の純断面積評価
西村俊夫 三木千寿 横尾和伸
変動応力をうける軟鋼材の疲れ強さ
西村俊夫 張東一 三木千寿
アルミ合金すみ肉溶接の疲れ強さについて(第2報) 波田凱夫 守国夫 伊丹秀幸
プログラム化荷重による軟鋼材の疲れ寿命
西村俊夫 張東一 三木千寿
切欠き部から発生する疲れきれつの挙動
西村俊夫 三木千寿
トラス格点部の疲労実験
山本一之 奥村敏恵
プレビーム桁の疲労実験について
菊池洋一 鈴木清 溝呂木利昭
HT80材溶接継手の疲労強度
奥川淳志 田島二郎
ハイブリッドげたの疲労強度
藤原稔 武田亘弘 守国夫
ランダム疲労破壊に対する信頼性について
小池武 亀田弘行
曲げをうける薄肉プレートガーダーの構造疲労特性
前田幸雄 石渡正夫 今村能久
構造物の低サイクル疲労破壊に関する研究
小堀為雄 山森広一 桑野善之
摩擦接合の疲労強度について(続報)
桜井季男 西村昭 皆田理
切欠きが疲れき裂の進展におよぼす影響
西村俊夫 三木千寿 田辺寛明
I形鋼格子床版の疲れ強さ
守國夫 内山茂文
鋼材の累積疲れ被害に関する二・三の考察
西村俊夫 張東一 三木千寿
徐々に数が増えてきた.
1971年:き裂開閉口現象の発見(Elber)
引き続き高張力鋼の疲労.
1974年:港大橋完成.
桁,ずれ止めの疲労に関する研究.
7
1976~
1)
1976~1980(その
1980(その1)
1976年
1976年
1976年
1977年
1977年
1977年
1977年
1977年
1977年
1977年
1977年
1978年
1978年
1978年
1978年
1978年
1978年
1978年
1978年
8
1976~
2)
1976~1980(その
1980(その2)
スタッド付鋼板の疲労強度
梶川靖治 前田幸雄
繰り返し荷重を受ける立体トラスの疲労と振動特性について
中村作太郎 他
構造用鋼材の低サイクル疲労挙動に関する研究
三木千壽 西村俊夫 鈴木克宗
スラブ止めの疲労実験
佐々木孝 小松定夫
トラス格点構造の疲労試験
竹之内博行 奥川淳志 田島二郎
パラレルワイヤストランド(PWS-91)の疲労特性(第1報)
広中邦汎 新家徹 大石靖
鋼構造物の低サイクル疲労破壊に対する信頼性設計の一手法
小池武 嶋文雄
十字すみ肉溶接継手止端部の疲労クラックの解析 牧野時則 山田健太郎 菊池洋一
接合面を溶融亜鉛メッキした高力ボルト摩擦接合継手の疲労試験
山本善行 大塩俊雄 御子紫光春
破壊力学による溶接継手の疲労寿命の推定
山田健太郎 牧野時則 菊池洋一
溶接欠陥が疲労強度に及ぼす影響について(続報)
皆田理 西村昭
HT80を使用した高力ボルト継手の疲労試験
多田和夫 田島二郎 江口保平
パラレルワイヤストランド(PWS)の疲労特性(第2報)
広中邦汎 大石靖 新家徹
フィラー付き高力ボルト摩擦接合継手疲労試験
大田孝二 三浦邦夫 大岩浩
プレートガーダーの曲げ疲労に関する研究
大倉一郎 前田幸雄
横桁切欠構造(スカーラップ)の疲労性状
阿部允 阿部英彦
人工溶接欠陥を有する継手の疲労強度
皆田理 西村昭 高原璋平
調質60キロHT材の板厚方向疲労特性について
高橋千代丸 川井豊
長大橋梁角折れ部軌道のレール締結装置の疲労試験
北川信 梅田静也 小林正
1979年
1979年
1979年
1979年
1979年
1979年
1979年
1980年
1980年
1980年
1980年
1980年
HiAmアンカーケーブルの疲労特性
原口俊男 田中義人
ハンガーロープの曲げ疲労試験
竹之内博行 田島二郎 岸本良孝
開断面縦リブを有する鋼床版の疲労に関する研究(その1) 瀬良昌憲 前田幸雄 梅下恭助
欠陥を有するHT80溶接継手の疲労強度について
皆田理 西村昭 高原璋平
鋼格子床版I形鋼の疲労特性に関する研究
松井繁之 前田幸雄
鋼床版閉断面縦リブの疲労問題に関する一考察
田垣徳幸 田中宏昌 山田健太郎
薄肉プレートガーダーのウェブ周辺溶接部の疲労に関する研究
大倉一郎 前田幸雄
開断面縦リブを有する鋼床版の疲労に関する研究(その2)
瀬良昌憲 前田幸雄 他
懸垂型モノレール軌道桁の補剛フレームの疲労特性に関する研究
高橋千代丸 他
鋼格子床版の移動載荷疲労試験
藤田信一 赤井公昭
大気曝露された鋼材溶接継手の疲労強度
近藤明雅 菊池洋一 飯田字郎
疲労亀裂伝播に及ぼす応力履歴の影響
森猛 伊藤文人
本四関係の研究が本格化.
破壊力学による疲労解析.
9
10
1981~
1)
1981~1985(その
1985(その1)
1981~
2)
1981~1985(その
1985(その2)
1981
1981
1984
1984
1984
1984
1984
1984
1984
1985
1985
1985
1985
1985
1985
1985
1985
1985
1985
1981
1981
1981
1982
1982
1982
1982
1982
1982
1983
1983
1983
1983
1983
1983
1983
1984
1984
1984
1984
1984
U形鋼縦リブを有する鋼床版の疲労性状
皆田理 西村昭 石崎浩
せん断をうける薄肉プレートガーダーのウェブ境界上に発生する疲労きれつに関する研究
吉井真 前田幸雄 大倉一郎
プレビームを用いた連続合成げたの静的載荷試験および疲労試験
梶川靖治 前田幸雄 木田英之
ボックス断面供試体を用いた大型疲労試験
平野茂 竹名興英 伊藤文夫
旧神崎橋の疲労強度に関する確率論的考察
栗田章光 前田幸雄 松井繁之
せん断を受ける薄肉プレートガーダーの疲労亀裂に関する研究
大倉一郎 前田幸雄 松井幹雄
ガセットの長さが疲労強度におよぼす影響
近藤俊行 山田健太郎 菊池洋一
ガセット継手の疲労強度と疲労き裂進展挙動の破壊力学的評価
宮川健策 菊池洋一 青木尚夫 他
横リブ十字すみ肉溶接部の疲労強度に及ぼす止端部グラインダ仕上げの効果
土居茂 堀川浩甫 他
鋼床版閉断面縦リブ現場突合せ溶接継手の曲げ疲労強度
近藤明雅 菊池洋一 江口昂三 山田健太郎
塑性履歴を受けた鋼切欠き部及び溶接継手の疲労寿命
森下博 長谷川彰夫 松浦聖
U形鋼補剛鋼床版の疲労に対する横リブ交差部ダイアフラムの影響
皆田理 西村昭 石崎浩
ガセット溶接継手の疲労強度
酒井吉永 山田健太郎 菊池洋一
ランガー桁橋の端横桁の取付部に発生する疲労亀裂に関する研究
芝池利尚 前田幸雄 大倉一郎
開断面縦リブを有する鋼床版現場溶接部の疲労強度に関する研究(第2報)
李東郁 堀川浩甫 石崎浩
割込みリブ十字継手を有する鋼管の疲労性状
山本国雄 西脇威夫 増田陳紀 皆川勝
斜張橋のケーブル定着部近傍の応力分布と疲労特性
山崎和夫 安藤憲一 上阪康雄 能登宥應
大型箱断面試験体の疲労試験
伊藤文夫 村上憲司 三木千寿
H形鋼埋め込み梁の疲労特性
谷平勉
PC鋼より線を用いたHiAmケーブルの疲労強度
原口俊男 田中義人 青田次郎
せん断を受ける薄肉プレートガーダーのウェブの面外変形を考慮した疲労強度
平野浩 前田幸雄 大倉一郎
ブローホールを含むSM50Y縦方向溶接継手の疲労強度
森猛 三木千寿 佐々木利視
ボックス断面供試体の大型疲労試験
伊藤文夫 山岸一彦 三木千寿
11
1977年:Albrecht & Yamada論文.
1979年:大三島橋完成.
引張応力作用下で溶接された継手の機械的性質ならびに亀裂補修部の疲労強度
堀川浩甫 鈴木博之
各種鋼材の変動ブロック荷重による疲労き裂進展速度の測定
野村俊夫 山田健太郎
岩黒島橋・床トラス下弦材の疲労試験
深沢誠 三木千寿 辰巳正明 保田雅彦
既設橋梁のノージョイント化に伴う連結部疲労実験
田中敏雄 加藤修吾 冨田穣 阪田憲次 藤井学
橋梁床版の疲労実験
川口隆 川口昌宏
曲げを受けるすみ肉溶接部の疲労強度および疲労きれつの進展
柏木洋之 三木千寿 森猛
鋼橋の端横桁連結部に発生する疲労亀裂に関する研究
芝池利尚 前田幸雄 大倉一郎
2,3の異なる塑性履歴を与えた鋼切欠き材の疲労強度
柴山昌和 長谷川彰夫 後藤芳顯 松浦聖
ガゼット継手の腐食疲労強度について
皆田理 西村昭 江見晋
スタッドの疲労強度向上に関する実験的研究
三好栄二 平城弘一 松井繁之
トラフリプとデッキプレートの接合部の疲労強度特性
牛尾正之 植田利夫 村田省三
橋梁床版の疲労実験
原田浩二 川口昌宏
橋梁部材の疲労強度と非破壊検査による亀裂検出精度-第1報
岩崎紀夫 加藤昭彦 渡辺信夫 三木千寿
橋梁部材の疲労強度と非破壊検査による亀裂検出精度-第2報
藤田利明 岩崎紀夫 渡辺信夫 三木千寿
鋼鉄道橋における垂直補剛材下端部の疲労変状
谷口紀久 阿部允 阿部英彦
合成鋼床版の走行荷重による疲労試験
岡本安弘 前田幸雄 梶川靖治 渡辺滉
縦方向溶接継手の疲労強度に及ぼすブローホール寸法・形状の影響
森猛 三木千寿 坂本謙二
鋼床版関連の研究.
継手疲労強度の充実.
大型部材による疲労試験.
1982年 PC9801発売.
1983年 ‘America in Ruins’
1983年 因島大橋完成.
1984年 J.W.Fisher ‘Fatigue and
fracture in steel bridges’出版
12
1985年 大鳴門橋完成
2
1986~
1986~1995
1985~
1988年
1990年
1990~
1993年
1994年
1995年
1996~
1996~
道路版桁橋などに疲労が顕在化.
二次応力,変位誘起疲労の概念
瀬戸大橋完成
JSCE「鋼床版の疲労」出版
有限要素解析ソフトの一般化
変動応力振幅下での疲労試験
JSSC 「疲労設計指針・同解説」
聖水大橋落橋
阪神淡路大震災
1997年
1998年
1999年
2000頃
2002年
2007年
2010年
「鋼橋の疲労」出版
明石海峡大橋完成
しまなみ海道全通
鋼製橋脚の疲労が顕在化.
鋼床版の疲労事例の報告が増加.
「鋼道路橋の疲労設計指針」出版
I-35W,木曽川大橋などの破壊事故
JSCE「鋼床版の疲労」改訂版
JSSC「鋼構造物の疲労設計指針・同
解説(改訂案)」
13
鋼橋の疲労損傷事例
14
疲労損傷マップ(鈑桁)
主桁と中間横桁・対傾構取合部
委員長 森 猛(法政大)
中間横桁下フランジと 桁端切欠き部
主桁ウェブ取合部
桁端ガセット部
ソールプレート部
15
16
ソールプレート付近のき裂
垂直補剛材やウェブギャップ板のき裂
JSSC T.R.No.71「鋼橋の疲労耐久性向上・長寿命化技術」より
JSSC T.R.No.71「鋼橋の疲労耐久性向上・長寿命化技術」より
17
18
3
桁端切欠き部の損傷例
主桁-横桁交差部のき裂
JSSC T.R.No.71「鋼橋の疲労耐久性向上・長寿命化技術」より
亀裂
19
山添橋の事例(2006
年発見)
山添橋の事例(2006年発見)
20
桁端ガセット部のき裂
JSSC T.R.No.71「鋼橋の疲労耐久性向上・長寿命化技術」より
分
配
横
桁
主桁ウェブ
出典:奈良国道工事記者発表資料
21
22
疲労対策あれこれ
疲労対策あれこれ
‡ 新設橋を対象としたもの
疲労設計
適切な構造ディテールの選択
‡ 新設橋を対象としたもの
疲労設計
適切な構造ディテールの選択
‡ 既設橋を対象としたもの
疲労損傷を防ぐための技術
(補強,予防保全)
疲労損傷を治すための技術
(補修+補強or補修・補強)
補修・補強設計,余寿命評価技術
‡ 既設橋を対象としたもの
疲労損傷を防ぐための技術
(補強,予防保全)
疲労損傷を治すための技術
(補修+補強or補修・補強)
補修・補強設計,余寿命評価技術
この他に疲労損傷を検知するための技術(非破壊検査,モニタリン グ)
もあるが本日は割愛.
23
24
4
鋼構造物の疲労設計指針・同解説(改訂案)2010
鋼構造物の疲労設計指針・同解説(改訂案)2010
委員長
副委員長
副委員長
幹事
3つの手法
森 猛 (法政大)
大沢直樹(大阪大)
舘石和雄(名古屋大)
貝沼重信(九州大)
‡ 公称応力を用いた疲労照査
‡ ホットスポット応力を用いた疲労照査
‡ 疲労き裂進展解析を用いた疲労照査
25
公称応力と局部応力
26
公称応力基準の疲労照査
板表面の応力
板表面の応力
応力増加
応力増加
公称応力
公称応力
応力集中が小さい継手
応力集中が大きい継手
◇公称応力を照査応力とする.
◇応力集中の大小は継手等級分
類で考慮する(応力集中が大き
な継手には低い設計強度を与え
る).
継手形状によって応力集中の程度が異なる.
27
局部応力基準の疲労照査
28
両者の比較
板表面の応力
公称応力基準の疲労照査
○実績が豊富.
○応力算出が容易.
×公称応力が定義できない場合がある.
×複雑な継手形状(表に載っていないもの)には使えない.
板表面の応力
公称応力
公称応力
応力集中が小さい継手
応力集中が大きい継手
局部応力基準の疲労照査
○公称応力が定義できない場合にも使える.
○表に載っていない形状の継手にも使える.
×局部応力を求めるのに手間がかかる.
×ホットスポット応力の求め方が定まっていかった.
×実績が必ずしも十分ではない.
◇赤丸で示される応力を照査応力とする.
◇この応力には応力集中の影響が取り込まれているので,強度は継手形
状には依らない.
◇実際には赤丸で示される応力を求めるのは難しいので,周辺の応力
から推定する→ホットスポット応力
ホットスポット応力
板表面の応力
29
30
5
疲労き裂進展解析による疲労照査
改訂案のポイント
‡ 公称応力を用いた疲労照査
I等級を追加.
継手等級の再検討.
1990年ころからの溶接法の変化(SMAW→CO2)
による影響の分析.
応力拡大係数範囲
ΔK = ( Ft Δσ t + Fb Δσ b ) πa
Paris則
da
= f (ΔK ) = C (ΔK n − ΔK thn )
dN
‡ ホットスポット応力を用いた疲労照査
HSS外挿点を0.4tと1.0tと明示.
破断寿命
Np = ∫
ac
ai
da
f (ΔK )
‡ 疲労き裂進展解析を用いた疲労照査
従来の付録から本文へ格上げ.
31
I等級の追加
32
溶接法の影響
33
34
JSSCシンポジウム
2011
JSSCシンポジウム2011
ホットスポット応力を用いた疲労照査
○2点外挿法を本文に記載.
JSSCシンポジウム「エンジニアリングセッション」
JSSC疲労設計指針の改定要旨と設計例
ホットスポット応力
板表面の応力
11月17日(木)
0.4t
1.0t
13:00~15:00
t
○他の手法は解説で紹介.
35
36
6
疲労対策あれこれ
適切な構造ディテールの選択
‡ 新設橋を対象としたもの
疲労設計
適切な構造ディテールの選択
‡ 既設橋を対象としたもの
疲労損傷を防ぐための技術
(補強,予防保全)
疲労損傷を治すための技術
(補修+補強or補修・補強)
補修・補強設計,余寿命評価技術
Zemda橋(米,2003)
Kyiv harbor橋
(ウクライナ,2004)
東京港臨海大橋
‡ 「鋼道路橋の疲労設計指針」などを参考に
37
構造ディテールと疲労:留意点
38
目違いの影響
‡ 疲労は非常に局所的な箇所の応力(集中)
によって発生する.
‡ ちょっとしたディテールの変更で疲労抵抗
性は変わる.
溶接
式(1)-
JSSC 疲労設計指針
e
2t
λ = 3 完全拘束
λ = 6 完全非拘束
溶接
止端部応力 (e=1mm)/(e=0mm)
km = 1 + λ
荷重制御:載荷側止端部
主板長さ 1000mm
鉛直方向拘束有
1.3
λMaddox
=6
1.2
中板厚
10mm
1.1
40mm
脚長 6mm
脚長 10mm
1
10
ウェブ 下フランジ
ウェブ 下フランジ
39
疲労対策あれこれ
20
30
主板厚 (mm)
40
鋼橋技術研究会 施工部会(部会長:舘石和雄)
目違いWG(主査:穴見健吾(芝浦工大))で活動中.
40
疲労損傷を防ぐための技術(補強)
損傷の発生条件
抵抗(疲労強度)<負荷(応力範囲と繰返し数)
‡ 新設橋を対象としたもの
疲労設計
適切な構造ディテールの選択
‡疲労強度を向上させる技術
止端処理(グラインダー,ピーニングなど)
低温変態溶接材料
欠陥の除去
耐疲労鋼
‡ 既設橋を対象としたもの
疲労損傷を防ぐための技術
(補強,予防保全)
疲労損傷を治すための技術
(補修+補強or補修・補強)
補修・補強設計,余寿命評価技術
41
‡応力を緩和する方法
剛性の付与(当て板,のど厚増加,SFRCなど)
剛性の低減(孔加工など)
構造系の変更(部材の追加など)
42
7
止端処理技術と課題
疲労対策あれこれ
‡ 止端形状の改良
グラインダー処理,TIG処理
処理形状の管理が課題
‡ 新設橋を対象としたもの
疲労設計
適切な構造ディテールの選択
‡ 既設橋を対象としたもの
疲労損傷を防ぐための技術
(補強,予防保全)
疲労損傷を治すための技術
(補修+補強or補修・補強)
補修・補強設計,余寿命評価技術
‡ 残留応力の低減(+形状改善)
ハンマーピーニング, ニードル
ピーニング,UIT,UP,High
Frequency Peening
残留応力の確認手法が課題
いずれの手法も止端き裂に対してのみ有効
43
ストップホール工法
44
溶接補修
45
理想的な補修・補強
46
理想的な補修・補強のための課題
溶接に耐えられる材質なの?
事前に調査することは可能.
き裂除去
+
再溶接
+
(目立たない)疲労強度向上策
供用下での振動の影響は?
現在の拠り所
「供用下にある鋼構造物の溶接施工指針(案)」
JSSC T.R.No.22(堀川浩甫委員長),1993年
きれい!早い!安い!
どのくらい長さのき裂まで適用できるの?
上の2項目から判断.
いずれにしろ,検査できることが大前提.
でも・・・
溶接に耐えられる材質なの?
供用下での振動の影響は?
どのくらい長さのき裂まで適用できるの?
その疲労強度向上策で十分なの?
その疲労強度向上策で十分なの?
次項の余寿命評価で判断できるものもある.
47
48
8
見苦しくない補修・補強
溶接割れ試験
1896,1903,1960年竣工の橋から古材を入手.
委員長 杉浦邦征(京都大)
供試鋼材
溶接棒の乾燥条件
拡散性水素量測定結果
溶接施工時
の
気温(℃),
湿度(%)
49
ICR処理
ICR処理
80℃×1時間
80℃×1時間後
炉外放置
35℃,80%
(夏季想定)
42 ml/100g
43 ml/100g
5℃,75%
(冬季想定)
36 ml/100g
41 ml/100g
×50倍
鋼橋技術研究会 施工部会(部会長:舘石和雄)
溶接割れWG(主査:一宮充(横河BHD))で活動中.
50
破壊力学による考察
疲労き裂進展速度
da
= C (ΔK m − ΔK th m )
dN
平滑部
Δσ
フラックスチッパ
edge crack
ICR treatment
①③ ②
Δσ
Δσ
a
き裂の両側
4mm
Δσ
(m≒3)
a= 2a'
溶接止端
ΔK = F '⋅Δσ π (a 2)
ΔK = F ⋅ Δσ πa
き裂の上
= 0.7 ⋅ F '⋅Δσ πa
5mm
特許 名古屋大学 山田健太郎先生,石川敏之先生 →ICR工法研究会
51
引張の場合,おおよそ3倍の疲労き裂進展寿命
ICR処理による疲労き裂の補修・補強効果
ICR処理による疲労き裂の補修・補強効果
垂直補剛材上端≒面外ガセット溶接継手
12
200
7
ICR処理
75
75
トラフリブ
N10 = 44 mm
Stress range [MPa]
h
Nb
Nb
52
C(125)
100
D(100)
80
E(80)
60
F(65)
40
Nf= N30 = 84 mm
crack
JSSC-B(155)
Bending test Nf
R
Nb+ICR
-1
N10+ICR
-1
as-welded
20 5
10
-1
10
6
G(50)
m
3 0m
10
7
Number of cycles after ICR treatment
疲労き裂を発生させ,ICR処理した後の疲労寿命の補修効果
53
54
9
疲労対策あれこれ
補修・補強設計
○ホットスポット応力(HSS)
‡ 新設橋を対象としたもの
疲労設計
適切な構造ディテールの選択
応力測定 or FEM解析
‡ 既設橋を対象としたもの
疲労損傷を防ぐための技術
(補強,予防保全)
疲労損傷を治すための技術
(補修+補強or補修・補強)
補修・補強設計,余寿命評価技術
○エフェクティブノッチ応力(ENS)
FEM解析
局部応力基準の疲労照査法
公称応力が定義できない場合や継手形状が複雑な場合に有効.
ルートの照査も行える(ENS).
→補修・補強設計,余寿命評価,補強効果の確認などに有効.
55
56
局部応力基準の疲労照査の適用事例
疲労損傷を受けた鋼橋の耐久性評価および耐久性向上技術
JSSC T.R.No.84「疲労損傷を受けた鋼橋の耐久性評価および耐久性向上技術」より
部会長 舘石和雄(名古屋大)
Uリブ突合せ溶接部→ENS
デッキプレートと垂直補剛材の溶接部→HSS
57
58
解析モデル
鋼床版のデッキプレートと垂直補剛材の溶接部
59
60
10
対象とした補修・補強方法
疲労寿命の比
61
鋼床版のUリブの突き合わせ溶接部
62
対象とした補修・補強方法
2370
mm
ストップホール
m
m
00
59
70mm
12mm
25mm
R載荷
M載荷
40mm
L載荷
着目点
リブ1
当板
R_0載荷
R_1載荷
R_2載荷
R_3載荷
当板端部
当板端部から255mm
SFRC:50mm
ENS リブ止端部
ENS デッキ止端部
エフェクティブノッチ
半径:1.0mm
ENS リブ止端部
当板
B-B面
破断面
A-A面
橋軸方向
1375mm位置
63
ENSの算出結果
64
疲労寿命の比
350
ルート部ENS
リブ部ENS
FAT225
疲労限界166MPa
300
250
200万回225MPa
リブ
ENS (M Pa)
ルート
200
疲労限界166MPa
150
100
50
0
健全
健全
当板
当板(ケースG)
のみ
当板
当板+ストップホール(ケースG)
+ストップホール
当板
+
+SFRC
ストップホール
当板+ストップホール+SFRC(ケースG)
65
66
11
新しい疲労照査用局部応力の提案
提案手法の考え方
本当に知りたいのはこの応力
(ピーク応力)
ホットスポット応力
板表面の応力
力学上の仮定
○疲労強度が溶接止端部の弾性応力集中のみで説明できる.
○溶接止端部の応力は解析によって求めることができ,グラ
インダー処理前後のピーク応力の比をあらかじめ知ることが
できる.
0.4t
1.0t
t
でも,測定するのは難しい.
グランダーで整形すればひずみゲージが貼れる.
でも,そうすると応力の大きさが変わってしまう.
ただ,グラインダー整形後に測定した応力でも・・・・
◇同種の溶接継手が多数ある場合,そのうちの一つで測定す
れば,他の同種継手の疲労強度推定の情報になるのでは?
◇実ディテールを再現した試験体で測定すれば,実ディテー
ルの疲労強度推定の情報になるのでは?
これが成り立つとすると・・・
67
提案手法
68
提案手法の実施例
やってみました.
○継手の止端をグラインダーで整形.
○ひずみゲージにより応力計測.
○測定値から溶接まま継手のピーク応力を推定(解析).
○疲労強度曲線と照らし合わせ.
○溶接ままの同種継手の疲労寿命予測が可能.
700
340
360
6 (10)
Gusset plate
複雑な継手形状,応力場に対して有効.
HSS法に代わる手法となる.
As-welded toe
Main plate
As-welded joint
図-3
Strain gauge to measure
stress at finished groove
Finished toe
Finished joint
溶接部の外観
Unit: mm
図-1
Finished zone
試験体(括弧内はType 2)
69
応力集中係数の推定式
h
θ
W
t
ピーク応力で整理した疲労試験結果
rg
h
raw
W
2000
d
t
As-welded joint
70
1000
Finished joint
Local Stress Range (MPa)
図-2 溶接部形状の定義
溶接まま止端の応力集中係数
500
JSSC–A
B
C
100
D
E
F
50
G
H
Type 1 Type 2 Type 3
グラインダー後の応力集中係数
As–welded
Finished
10 4
10
71
5
6
10
10
Number of Cycles
7
10
72
12
破壊力学による残存寿命評価
破壊力学による残存寿命評価
以前は2次元が精一杯.
比較的単純な継手,応力場での解析しかできなかった.
最近では・・・
◇FRANC2D(Cornell Fracture Group, Cornell University)
破壊力学によるき裂進展解析コードを含む2次元構造解析プログラム
Cornell Universityなどのサイトから入手可能.
ABAQUS,ANSYS,COSMOS,NASTRANなどとのモデルデータ互換も有り.
FRANC3Dもある.
◇Zencrack(Zentech社,米)
市販のき裂進展解析ソフトウェア.
ABAQUS,ANSYS,MSC.Marcなどとリンクさせて使用.
(サポートはうち切られた.)
◇他にFINAS/CRACK(CTC),TSV-Pre(㈱テクノスター)など.
73
解析モデル
3主桁2径間連続プレートガーダー橋
着目部(初期き裂導入部)
プレートガーダー主桁ー横桁交差部の疲労き裂
y
z
x
7400
破壊力学による残存寿命評価事例
74
y
床版
42000
42000
84000
疲労き裂
梁要素
ソリッド要素
主桁
載荷
横桁
z
き裂
横桁ウェブ
横桁下フランジ
主桁ウェブ
名阪国道の橋梁保全に関する検討
委員会 参考資料より
75
き裂進展形状と応力拡大係数
z
y
x
応力拡大係数 (MPa√m )
疲労き裂
x
y
着目部周辺:ソリッド要素
その他の部材:梁要素
初期き裂:スカーラップ端部に鉛直上向き(長さ5mm)
荷重:274kN(正負交番載荷と衝撃の影響を考慮)
鋼材 ヤング係数:2.0×105,ポアソン比:0.3
コンクリートと鋼材とのヤング係数比:7
6
4
初期き裂長
5mm
最低使用温度
0°C
鋼材
SM490材
鋼材強度
315MPa
(許容応力 185MPa)
シャルピー値(0°C)
14J
ぜい性破壊荷重
死荷重+T-60荷重
(衝撃考慮)
疲労荷重
T-20荷重(衝撃考慮)
日交通量
60000台/日
大型車混入率
50%
2
主桁ウェブ
0
0
500
1000
き裂長 (mm)
横桁
初期き裂
主桁ウェブ
76
残存寿命評価のケーススタディ
8
横桁
Unit: mm
1500
77
78
13
残存寿命評価結果
ここまでのまとめ
鋼材の破壊じん性値
Rolfe-Barsomの式
(シャルピー値から推定)
⎛ K Ic ⎞
⎛ vE(T )
⎞
⎜⎜ σ ⎟⎟ = 0.6478 ⋅ ⎜⎜ σ − 0.0098 ⎟⎟
⎝ Y⎠
⎝ Y
⎠
= 47.2MPa m
12
⋅ 315
応力拡大係数 K max (MPa √m )
60
2
⎡
⎛ 14
⎞⎤
K Ic = ⎢0.6478⎜
− 0.0098 ⎟⎥
⎝ 315
⎠⎦
⎣
◇寿命予測技術
9 解析によりこれまで難しかったものが評価可能に.
9 局部応力基準の疲労照査法
破壊力学解析による余寿命推定 などは有望.
9 補修・補強効果の定量的な評価に使える.
9 ただし実績を積む必要がある.
鋼材の破壊じん性値 KIc
40
20
約45.9年
0
0
25
50
疲労寿命 (年)
75
100
◇補修・補強技術
9 UIT,ICRなどの新技術に期待.
9 美しい(汚くない)という視点もあるべき.
9 ルートき裂に対する強度向上は課題.
→溶接補修の出番増?
79
80
名古屋大学・NEXCO
中日本 橋梁モデル
名古屋大学・NEXCO中日本
今後の疲労対策の最大の課題
• N2U-Bridge ニュー・ブリッジ
人材の確保,予算の獲得
NEXCO・Central and Nagoya UniversityBridge model with Restoration and
Integrated Deterioration for Global
Engineering
81
橋梁モデルの概要と使い方
82
土木工学の危機
わが国の産業を支える基盤技術の維持に向けて
◇RC T桁 (1935竣工)
◇PCホロー桁 (1973竣工)
◇鋼版桁橋+RC床版(1973竣工)
~絶滅危惧分野における人材の育成・確保のための仕組みづくり~
2011 年8月
公益社団法人 関西経済連合会
より
83
84
14
土木工学の危機
土木学会の提言
85
要求される教育科目
図4.2 建設業が若手技術者に要求する教育科目
86
学んでおいてよかった科目
87
図4.3 学んでおいてよかった科目
88
おわりに
土木(絶滅危惧分野),構造(学んでおくべき
科目Top)に携わる大学人として責任を感じています.
これからもよろしくお願いいたします.
ご静聴ありがとうございました.
89
15